精密諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)建模與控制方法研究.pdf

1、伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)電伺服系統(tǒng)呈現(xiàn)了小型化、輕量化、高精度和高動(dòng)態(tài)特性的發(fā)展趨勢(shì)，諧波傳動(dòng)、擺線傳動(dòng)、柔索傳動(dòng)、活齒傳動(dòng)等具有較高傳動(dòng)精度和良好動(dòng)力學(xué)特性的傳動(dòng)方式在其中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于上述這些傳動(dòng)方式的動(dòng)力學(xué)特性和伺服控制方法進(jìn)行研究有助于機(jī)電系統(tǒng)伺服性能的提升，具有一定理論和工程意義。諧波齒輪具有輸出力矩大、結(jié)構(gòu)緊湊、嚙合空回小、傳動(dòng)精度高等許多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)器人、武器系統(tǒng)等領(lǐng)域中的伺服系統(tǒng)中

2、，取得了良好的效果。隨著系統(tǒng)伺服性能需求的提升，對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)精度提出了更高的要求，需要對(duì)如何提高其伺服性能這一問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究。
　　本文針對(duì)精密諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)特性的建模問題和伺服補(bǔ)償問題開展研究，根據(jù)對(duì)精密諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的工作原理、動(dòng)力學(xué)特性建模、模型參數(shù)辨識(shí)方法、非線性特性補(bǔ)償控制、模型仿真方法、系統(tǒng)性能預(yù)測(cè)等方面的研究，建立了含摩擦、剛度和遲滯非線性特性的系統(tǒng)仿真模型，針對(duì)各種非線性特性設(shè)計(jì)了相應(yīng)的補(bǔ)償

3、控制策略，總結(jié)得出了基于模型的諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對(duì)如何提高諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)伺服性能有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，較好解決了諧波齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)和伺服控制問題，可為諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)在高速、高精、輕量化和小型化精密伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用提供技術(shù)支持。
　　論文的研究?jī)?nèi)容主要包含以下幾個(gè)部分：
　　1.針對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)伺服特性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系問題，通過分析諧波齒輪工作原理、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，推導(dǎo)出了常用雙波諧波齒輪摩擦、剛度和遲滯

4、三種特性的經(jīng)典模型參數(shù)與其自身主要結(jié)構(gòu)參數(shù)的解析關(guān)系。針對(duì)三種非線性特性的經(jīng)典模型，采用描述函數(shù)方法對(duì)其進(jìn)行線性化，建立了含摩擦、剛度和遲滯的諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)線性模型，得到了摩擦、剛度和遲滯對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)伺服性能的影響規(guī)律。
　　2.為了準(zhǔn)確建立諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)摩擦、剛度和遲滯三種非線性特性進(jìn)行了建模。針對(duì)系統(tǒng)摩擦特性建模問題，采用Stribeck和LuGre兩種方法進(jìn)行建模，并對(duì)模型中參數(shù)進(jìn)

5、行辨識(shí)，提出了一種可在線應(yīng)用的Stribeck摩擦模型參數(shù)快速辨識(shí)方法。針對(duì)系統(tǒng)剛度特性建模問題，采用泰勒級(jí)數(shù)和有限元兩種方法進(jìn)行建模，并辨識(shí)了泰勒級(jí)數(shù)剛度模型的參數(shù)，得到了影響諧波齒輪低階諧振頻率的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和其影響規(guī)律。針對(duì)系統(tǒng)遲滯特性建模問題，采用Maxwell和Preisach兩種方法進(jìn)行建模，并對(duì)模型中參數(shù)進(jìn)行了辨識(shí)，研究了Preisach遲滯模型在線仿真離散遞歸算法，提高了模型仿真計(jì)算效率，總結(jié)得到了Maxwell和Pre

6、isach遲滯模型的選用原則。將以上三種非線性特性模型進(jìn)行集成，得到了諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的仿真模型，該模型可用于研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-控制特性相互作用機(jī)理，進(jìn)行系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性分析、控制方法研究和伺服性能預(yù)測(cè)。
　　3.針對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的伺服控制問題，研究了系統(tǒng)非線性特性的補(bǔ)償控制方法。針對(duì)系統(tǒng)摩擦和遲滯特性，采用基于模型的摩擦前饋補(bǔ)償和遲滯逆模型補(bǔ)償控制方法；針對(duì)系統(tǒng)的參數(shù)存在變化不確定量問題，采用不基于模型的Backstepping自

7、適應(yīng)補(bǔ)償控制方法。利用建立的諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)仿真模型對(duì)上述方法進(jìn)行仿真分析，系統(tǒng)伺服控制精度和響應(yīng)速度相比經(jīng)典PID控制方法均有明顯提高，驗(yàn)證了上述補(bǔ)償控制方法的有效性，并分析得到了各補(bǔ)償控制方法的選用原則。
　　4.針對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，應(yīng)用上述建模和補(bǔ)償控制研究成果，提出了基于模型的諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法?；诒疚慕⒌南到y(tǒng)仿真模型和設(shè)計(jì)的補(bǔ)償控制方法，根據(jù)某型精密指向穩(wěn)定平臺(tái)俯仰伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用實(shí)例，提出了基于模

8、型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程。依照該設(shè)計(jì)流程，得到了俯仰伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)方案伺服性能進(jìn)行了仿真預(yù)測(cè)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案制造了原理樣機(jī)，并對(duì)其進(jìn)行了性能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。該方法提高了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)效率、降低了設(shè)計(jì)成本。
　　5.針對(duì)諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的非線性特性、低階諧振頻率、開環(huán)特性和閉環(huán)特性測(cè)量問題，研究了諧波齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試方法。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)非線性特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)摩擦、剛度和遲滯等非線性特性的測(cè)量。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)系